DE7624101U1 - Roehrenspaltofen - Google Patents

Description

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Gesellschaft für Hochtemperatur-Reaktor-Technik GmbH 5o6o Bensberg

Röhrensp.altofen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Röhrenspaltofen und geeignete Formkörper zur katalytischen Spaltung von Prozeßgasen bei hohen Temperaturen in langen, beheizbaren Spaltrohren, die Katalysatormaterial enthalten. Diese Röhrenspaltofen bestehen oft aus einem Bündel von zahlreichen, parallelen, an ihrem unteren Ende geschlossenen Spaltrohren, die mit ihrem oberen Ende an einer gemeinsamen Tragplatte befestigt sind und die von außen mit Rauchgas oder auch mit Helium von ca. 95o° C, beispielsweise aus einem Kernreaktor-Kühlkreis beheizt werden.

In der deutschen Patentschrift 12 59 85o wird ein u.a. . auch katalytisch wirkender Reaktbnsapparat mi/t Füllkörpern "Beschrieben, bei'dem. zahlreiche zylindrische [Füllkörper, die eine zentrale Bohrung aufweisen, auf waagerechte oder leicht geneigte metallische Haltestifte gesteckt sind, die an einem zentralen senkrechten Rohr oder einer Stange angeschweißt sind. Bei hohen Temperaturen sind diese angeschweißten Haltestifte problematisch. Wenn nur einer dieser Haltestifte sich löst, kann sich der entsprechende Füllkörper zwischen den anderen Füllkörpern und der Innenwand des Spaltrohres verklemmen und damit ein Auswechseln des Katalysatorträgers sehr erschweren. Das \ in, diesen Füllkörpern enthaltene KatalysatormateTial ist aber nach länge-rer Betriebszeit erschqft, die Füllkörper

müssen daher in re—gelmäßigen Abständen ausgewechselt werden. Dieses Auswechseln ist bei der Vielzahl dieser Füllkörper mühsam, langwierig und vor allem mit viel manueller Arbeit verbunden. In diesem Patent wird bereits

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eingehend beschrieben, welche Nachteile zu erwarten sind, wenn man Spaltrohre in freier Schüttung mit Katalysatormaterial füllt. In freier Schüttung hat Katalysatormaterial einen nicht exakt berechenbaren und auch mit der Zeit veränderlichen Druckverlust, der bei Parallelschaltung zahlreicher Spaltrohre zu unterschiedlichen Durchsatzmengen des. Prozeßgases in den einzelnen Rohren und damit zu unterschiedlichen Austrittstemperaturen führt. Bei Temperaturverminderungen verdichtet sich das Katalysatormaterial, bei Temperaturerhöhungen dehnt es sich wieder aus und belastet dabei die Rohrinnenwand und eventuelle Einbauten im Rohr. Wenn das frei geschüttete Katalysatormaterial erschöpft oder zerstört ist, muß es in mühseliger Arbeit, beispielsweise durch pneumatische Absaugung aus den Spaltrohren entfernt werden. Diese Schwierigkeiten sind naturgemäß umso größer, je größer die Schütthöhen, je enger die Rohre und je stärker und häufiger die vorkommenden Temperaturschwankungen sind. Trotz dieser bekannten Schwierigkeiten werden aber in den neueren deutschen Offenlegungsschriften 19 o1 758.4, 24 12 84o.3 und 24 12 §41-4 erneut Röhrenspaltöfen auch für nukleare Scheidung; γοτ£^ος<-*>ι aaen. bei denen das Katalysatormaterial als lose Schüttung in Spaltrohre eingefüllt ist. Insbesondere bei nuklearer Beheizung ist aber das Auswechseln von Katalysatormaterial in Spaltrohren besonders schwierig, weil man den nuklearen Heizkreis mit Rücksicht auf evtl. radioaktive Verunreinigungen nicht öffnen möchte und andererseits ist jede BetriebsunterbrechTiung, insbesondere bei großen nuklearen Anlagen unerwünscht und führt zu erheblichen Ausfallkosten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Röhrenspaltöfen sowie geeignete Formkörper zur katalytischen Spaltung von Prozeßgasen bei hohen Temperaturen in langen, beheizbaren Spaltrohren, die Katalysatormaterial enthalten. Diese Formkörper sollen leicht und schnell auswechselbar sein und sie sollen einen geringen, insbesondere über die Betriebs zeit konstanten Druckverlust aufweisen. Untersuchungen und Berechnungen haben nämlich gezeigt, daß bei größeren Spaltrohröfen nicht nur eine möglichst große Kontaktfläche,

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sondern auch ein möglichst geringer Druckverlust von Bedeutung ist, weil mit diesem Druckverlust auch die Betriebs- und Anlagekosten, z.B. beim Gebläse, erheblich gesenkt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß diese Formkörper eine zur Längsachse des Spaltrohres parallele Bohrung aufweisen und ihre Länge wesentlich größer ist als der Innendurchmesser des Spaltrohres. Bei dieser Formgebung sind in jedem Spaltrohr nur ein oder jedenfalls nur sehr wenige gegeneinander abgedichtete Formkörper vorhanden, die mit einer geeigneten Greifvorrichtung erfaßt und ausgewechselt werden können. Das zu spaltende Prozeßgas wird zweckmäßigerweise am oberen Ende des Spaltrohres zwischen Rohrinnenwand und Formkörper zugeführt, es fließt an den das Katalysatormaterial enthaltenden Formkörpern entlang und teilweise durch dessen außen poröse Oberfläche hindurch und strömt dann am unteren Ende des oder der Formkörper durch die innere Bohrung zurück nach oben. Dabei findet gleichzeitig ein Wärmeaustausch statt zwischen dsjn außen abwärts strömenden und dem innen äux-

Die vorgeschlagenen Formkörper können alternativ aus einem hochtemperaturbeständigen Sintermetall oder aus keramischem Material auf der Basis von Aluminiumoxyd hergestellt werden. Die Formkörper aus Sintermetall sind z.Z. in Längen von ca. 9 m herstellbar und können zumindestens in ihrem äußeren Bereich aus einem porösen katalytisch wirksamen Nickelmaterial bestehen. Die keramischen Formkörper können z.Z. in Längen von ca. 3,5 m hergestellt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß diese Formkörper außen eine gewellte Oberfläche aufweisen. Durch diese Formgebung wird die Kontaktfläche außen vergrößert, ohne den Druckverlust zu sehr zu erhöhen. Durch geeignete Ausgestaltung der Anzahl und Tiefe dieser Wellen kann man nahezu jedes gewünschte Verhältnis von Druckverlust und Kontaktfläche erhalten. Selbstverständlich kann man auch die ,gewünschte Kontaktfläche vergrößern,

die ,gewüns chte Kon ti

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in dem man außer den radialen Wellen auch noch achsparallele Rippen, insbesondere am Umfang gegeneinander versetzte Rippen anordnet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß diese Formkörper mit ihrem oberen Rand am oberen Ende des Spaltrohres befestigt sind. Bei dieser Anordnung können sich diese Formkörper bei Temperaturänderungen frei in das Spaltrohr hinaus ausdehnen und sind daher nicht durch Temperaturunterschiede zwischen Spaltrohr und Formkörper belastet. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig für lange, einteilige Formkörper aus Sintermetall.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß jeweils zwei übereinander angeordnete Formkörper gegeneinander abgedichtet sind. Durch diese Anordnung kann man darauf verzichten, alle Formkörper auf einem inneren metallischen Rohr aufzureihen. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig, wenn die Formkörper übereinander zu einer Säule gestapelt sind, die auf dem Boden des Spaltrohres ruht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Formkörper an einem Ende eine kugelige Fläche und am anderen Ende eine hohlkugelige oder hohlkegelartige Fläche aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung kann man die einzelnen Formkörper mir genügender Dichtigkeit übereinander stapeln. Sie können sich bei der Montage und auch im Betrieb mit kleinen Winkeländerungen gegeneinander bewegen, ohne undicht zu werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Formkörper an einem Ende ein Außen- und am anderen Ende ein Innengewinde aufweisen. Versuche haben gezeigt, daß sowohl Sintermetall- als auch keramische Körper miteinander annähernd dicht verschraubt werden können und dennoch, auch nach mehrfachem Temperaturwechsel, wieder ohne Beschädigung voneinander gelöst werden können. Für diese Zwecke besonders geeignet ist ein Gewinde mit an

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sich bekannten abgerundeten Gewindegängen oder ein Gewinde von kegeliger Form. Diese vorgeschlagene Gewindeverbindung gestattet es, mehrere Formkörper schnell und doch annähernd dicht miteinander zu einem einzigen Formkörper von großer Länge zusammenzusetzen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der unterste Formkörper ein besonderes Führungsstück sowie radiale Gaseintrittsschlitze aufweist. Durch diese Ausführung kann man den oder die Formkörper auf dem unteren Ende des SpaltrohTes zentriert auflagern und durch die Gaseintrittsschlitze das Prozeßgas in den inneren Kanal leiten.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung, wobei der oder die Formkörper auf dem unteren Ende des Spaltrohres gelagert sind, wird vorgeschlagen, daß am oberen Ende des oder der Formkörper ein schraubenlinienartig gewundenes Rohr zur Ableitung des Prozeßgases aus dem inneren Kanal nach außen angeordnet ist. Dieses Rohr aus einem hochtemperaturbeständigan Metall oder sogar aus einem keramischen Material dient einerseits als Kompensator zum Längenausgleich bei Temperaturunterschieden zwischen Spaltrohr und Formkörper und andererseits als Wärmetauscher zwischen dem eintretenden und dem austretenden Prozeßgas.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die einzelnen Formkörper zumindestens an einem Ende mehrere über den Umfang verteilte Führungsnocken aufweisen. Diese Führungsnocken, die die Innenwand des Spaltrohres nahezu punktförmig berühren sollen, dienen dazu, zwischen Formkörper und Spaltrohr einen annähernd konstanten Ringspalt einzuhalten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Innenwand des Spaltrohres Längsrippen aufweist. Diese Längsrippen verbessern vor allem den Wärmeübergang vom Spaltrohr zum Prozeßgas, sie dienen aber auch dazu, den gewünschten Abstand zwischen Formkörper und Spaltrohr

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Die Figuren 1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Figur 1 zeigt in schematischer Form einen senkrechten Längsschnitt durch ein Spaltrohr mit mehreren Formkörpern darin.

Figur 2 zeigt im gegenüber Figur 1 vergrößerten Maßstab einen senkrechten Längsschnitt durch ein Spaltrohr sowie durch die Enden zweier gegeneinander abgedichteter Formkörper.

Figur 3 zeigt in einem gegenüber Figur 1 vergrößerten Maßstab einen senkrechten Längsschnitt durch einen anderen Formkörper.

Figur 4 zeigt einen waagerechten Schnitt durch den Formkörper von Figur 3,

In Figur 1 wird das Spaltrohr 1 an seinem unteren Ende durch einen Boden 2 und an seinem oberen Ende durch einen Deckel 3 verschlossen. Ein Rohrstutzen 4 dient als Zufluß für das zu spaltende Prozeßgas und ein Rohrstutzen 5 als Abfluß. Auf dem Boden 2 des Spaltrohres 1 ruht ein ringförmiges, mit einer konischen Innenbohivung versehenes Führungsstück 6, mit dem eine Säule aus mehreren Katalysatorkörpern 7 zentriert wird. Der unterste dieser Formkörper 7 hat ein Einlaufstück 8, das mehrere über den Umfang verteilte Schlitze 9 aufweist, die zur Einleitung des Prozeßgases in den inneren Kanal 1o dienen. Die einzelnen Formkörper 7 sind gegeneinander jeweils durch eine kugelige Begrenzungsfläche 11 annähernd abgedichtet und durch mehrere über den Umfang verteilte Führungsnocken 12, die hier übertrieben groß dargestellt sind, gegenüber der Innenwand des Spaltrohres 1 zentriert. Der oberste Formkörper 13 ist an seinem oberen Ende mit einem Rohr 14 verbunden, das mit mehreren schraubenlinienartigen Windungen versehen ist und in den Abflußstutzen 5 übergeht. Die schraubenlinienartigen Windungen sind von einem besonderen Strömungsleitgehäuse 15 umgeben, das am Deckel 3

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befestigt ist und in Höhe des EinlaufStutzens 4 mehrere über den Umfang verteilte Gaseintrittsschlitze 16 aufweist und das mit einer ringförmigen Scheibe 17 annähernd gegen die Innenwand des Spaltrohres 1 abge- · dichtet ist. Die schraubenlinienartigen Windungen des Rohres 14 dienen nicht nur als Kompensator für thermisch bedingte LängendiffeTenzen zwischen Spaltrohr 1 und der Säule aus Formkörpern 7, sondern auch als Rekuperator, in dem das austretende Prozeßgas einen Teil seineT Wärme bereits wieder an·das bei 4 eintretende Prozeßgas abgibt. Die in Figur 1 dargestellten Formkörper 7 und sind schematisch dargestellt, sie können aber, wie in den folgenden Figuren dargestellt wird, verschiedene gewellte oder gerippte Außenflächen haben, um die Kontaktfläche zwischen Prozeßgas und Formkörper zu vergrößern. Das Rohr 14 ist im oberen Rereich durch ein. Isolierrohr 13 gegen den direkten Kontakt mit dem kalten Gas geschützt.

Figur 2 zeigt im Spaltrohr 1 die Verbindung zweier gleichartiger Formkörper 21 und 22, die wie in Figur 1 einen inneren Kanal 1o aufweisen und in der rechten Hälfte der Figur mit zwei kugeligen Flächen 11 gegeneinander annähernd abgedichtet sind. In der linken Hälfte wird gezeigt, wie die kugelige Fläche 11 gegen eine hohlkegelige Fläche abgedichtet ist. Auf diesen Dichtflächen kann in an sich bekannter Weise eine Metallschicht aufgedampft sein, die einerseits die Abdichtung verbessert und andererseits die Reibung herabsetzt. Die Außenfläche der beiden Formkörper 21 und 22 wird, geometrisch betrachtet, aus aneinandergesetzten Kugeln gebildet. Um die Kontaktfläche zu vergrößern, können diese Kugeln außerdem noch gegeneinander versetzte Längsrippen tragen. Außerdem sind zumindestens an einem Ende jedes Formkörpers mehrere über den Umfang verteilte Führungsnocken 23 vorhanden, deren Außendurchmesser nur wenig kleiner ist als der Innendurchmesser des Spaltrohres und die die einzelnen Formkörper gegenüber dem Spaltrohr 1 zentrieren sollen.,

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Die Figuren 3 und 4 zeigen weitere Formkörper 3o, die geometrisch betrachtet, aus zahlreichen Halbkugeln bestehen, die durch abgerundete Obergänge miteinander verbunden sind. Diese Form hat immer noch einen verhältnismäßig geringen Druckverlust und dennoch eine gegenüber Figur 2 etwas vergrößerte Kontaktfläche. In Figur 3 wird ein rein rotationssymetrischer Formkörper 3o gezeigt, während in Figur.4 die Kontaktfläche, allerdings auch der Druckverlust erhöht wird, durch zusätzliche, von einer Halbkugel zur anderen gegeneinander versetzte achsiale Einschnitte.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Röhrenspaltofen zur katalytischen Spaltung von Prozeßgasen bei hohen Temperaturen in langen, beheizbaren Spaltrohren, die mit Katalysatormaterial versehene Formkörper enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß diese Formkörper (7 und 13), eine zur Längsachse des Spaltrohres £1) parallele Bohrung (1o) aufweisen und ihre Länge wesentlich größer ist als der Innendurchmesser des Spaltrohres (1).

   2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Formkörper (7 und 13) außen eine gewellte Oberfläche aufweisen.

   3. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Formkörper (7 und 13) mit ihrem oberen Rand am oberen Ende des Spaltrohres (1) befestigt sind.

   4. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei übereinander angeordnete Formkörper (21 und 22) gegeneinander abgedichtet sind.

   $. Formkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Formkörper (21 und 22) an einem Ende eine kugelige Fläche (11) und am anderen Ende eine hohlkugelige oder hohlkegelartige Fläche aufweisen.

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   - 1o -

   6.' Formkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Formkörper an einem Ende ein Außen- und am anderen Ende ein Innengewinde aufweisen.

   7. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unterste Formkörper (8) ein besonderes Führungsstück (6) sowie radiale Gaseintrittsschiitze (_9~) aufweist.

   8. Formkörper nach Anspruch 1, wobei der oder die Formkörper auf dem unteren Ende des Spaltrohres gelagert sind,

   dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende des oder der Formkörper ein schraubenlinienartig gewundenes Rohr (14j zur Ableitung des Prozeßgases aus dem inneren Kanal (1o) nach außen angeordnet ist.

   9. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Formkörper (7 und 21) zumindestens an einem Ende mehrere über de-a Umfang verteilte Führungsnocken aufweist.

   1o. Spaltrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Spaltrohres Längsrippen aufweist.

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